오버몰딩된 하이브리드 부품으로 새로운 복합 재료 시장 개척

복잡성과 강점. 항공기 보관함을 위한 B 브래킷과 같은 구성 요소는 높은 복잡성과 고강도 요구 사항을 모두 나타냅니다. 이러한 조합은 특히 하이브리드 오버몰딩 기술에 적합합니다. 출처, 모든 이미지 | TxV 에어로 컴포지트

종종 항공 우주 시장에서 OEM은 구성 요소의 경량화, 마모 감소로 인한 수명 연장 또는 기타 운영 비용 감소로 인한 연료 절감 효과로 투자가 배당금을 반환한다는 것을 알고 복합 구성 요소에 대해 더 많은 비용을 지불할 용의가 있습니다. 및 유지 보수 비용. 이 "제품 수명 주기" 보기는 복합 재료에 대한 많은 시장과 응용 프로그램을 열었습니다. 더 특이한 것은 획득 비용 자체가 금속 버전보다 저렴한 복합 부품입니다. 그러나 이것은 변화하고 있습니다. 일부 새로운 자동 복합 재료 제조 공정은 복합 재료에 유리하게 규모를 기울이기 시작했으며 그 중 TxV Aero Composites(Bristol, R.I., U.S.)에서 개발한 하이브리드 오버몰딩 프로세스가 있습니다.

Tri-Mack Plastics Manufacturing(미국 R.I., Bristol)과 Victrex(Thornton Cleveleys, 영국)의 합작 투자 회사인 TxV는 하이브리드 오버몰딩 기술을 상업 생산 단계까지 발전시켰습니다. 이 회사는 이전에 항공우주 등급 알루미늄으로 만든 항공기 보관함 브래킷을 재설계하고 상업적으로 생산하기 위해 SFS intec Aircraft Components(독일 Althengstett)와 제휴했습니다. 자체적인 성공 사례인 브래킷은 또한 하이브리드 오버몰딩 및 빅트렉스 AE 250 단방향 탄소 섬유/폴리아릴에테르케톤(PAEK) 테이프의 잠재력을 보여주어 다양한 항공우주 분야에서 가치 있는 무게와 비용 절감을 가능하게 합니다. 재료를 빼는 것이 아니라 더하는 합성 과정입니다.

뺄셈에서 덧셈으로

CNC 기계에서 금속 부품을 생산하는 기계공과 기계 공장은 자신들의 공정이 부품을 만들기 위해 금속 블랭크에서 불필요한 재료를 잘라내 고철 칩을 만드는 명백한 이유 때문에 스스로를 "칩 메이커"라고 불렀습니다. 이러한 칩은 폐기되거나 재활용업체로 보내지거나 사내에서 재처리되는지 여부에 관계없이 금속 가공의 비용이 많이 드는 측면을 나타냅니다. SFS intec의 오버헤드 보관함 브래킷의 경우 알루미늄을 가공하는 데 필요한 여러 밀링 단계에서 60~70%의 알루미늄이 스크랩이 됩니다.

이러한 높은 스크랩 비율은 브래킷의 그물 모양 또는 그물 모양에 가까운 합성 버전에 대한 원자재 비용을 잠재적으로 금속 재료 비용보다 낮춥니다. “우리는 칩 때문에 더 저렴한 (파운드당) 알루미늄과 경쟁할 수 있습니다. 구매 비율이 8:1인 경우 구매한 알루미늄의 대부분은 스크랩이 됩니다.”라고 TxV의 수석 계정 관리자인 Jonathan Sourkes는 말합니다. “또 다른 요인은 각 부품이 밀링되는 데 소요되는 시간입니다. 몇 시간이 아니라 몇 분 안에 [복합] 부품을 만들 수 있습니다.”

원자재 비용 외에도 복잡한 형상을 특징으로 하고 높은 하중 지지 성능을 요구하는 브래킷과 같은 구성 요소의 복합 버전은 역사적으로 사용 가능한 제조 옵션을 사용하여 경제적으로 실현 가능하지 않았습니다. 한편으로 부품이 사출 성형과 같은 고속의 로우 터치 공정에서 저가의 쵸핑된 섬유 보강재로 만들어지면 부품은 충분한 하중 지지 성능을 달성하지 못할 것입니다. 반면에 일반적으로 약간의 수동 레이업을 포함하는 저속, 하이터치 공정을 통해 더 높은 하중 지지, 연속 섬유 보강재로 제작된 경우 생산이 너무 느리거나 제조 비용을 부과하여 최종 제품이 너무 비쌉니다.

이러한 유형의 새로운 복합 재료 응용 프로그램에 대한 이러한 장애물 때문에 복합 재료 산업 전체는 항공우주 고객의 요구 사항 및 사양을 충족할 수 있는 충분한 하중 지지 능력과 적절하게 높은 생산 속도로 이러한 구성 요소를 생산할 수 있는 자동화 프로세스를 개발하는 데 상당한 자원을 투자했습니다. . 이러한 복합 부품의 상업적 생산을 염두에 두고 TxV는 특히 항공 우주 산업 전반에 걸쳐 폴리케톤 기반 복합 재료 애플리케이션을 위한 혁신적인 제조 공정의 상업적 채택을 가속화하기 위해 2017년에 설립되었습니다.

가상 프로토타입 제작. 라미네이트와 오버몰드 간의 관계를 특성화하기 위해 개발된 독점 데이터를 사용하여 TxV는 물리적 프로토타입을 제조하고 테스트할 필요 없이 레이업과 플라이 방향을 반복했습니다. 여기에 표시된 대로 가시적인 응력이 제공된 하중 케이스 범위 내에 있을 때까지 반복이 계속됩니다.

TxV의 오버몰드 하이브리드 솔루션은 복합 부품 제조 분야의 최첨단 기술에 대한 두 가지 주요 발전 사항을 통합합니다. 첫째, 연속 섬유 보강재의 강도 또는 강성을 요구하는 부품의 생산을 자동화합니다. 둘째, 사출 성형 속도를 활용하여 구성 요소의 복잡한 형상을 완성합니다. 보다 구체적으로 말하면 하중을 처리하기 위해 맞춤형 라미네이트를 생산한 다음 오버몰딩하여 최종 부품 형상을 기능화하고 생성합니다. SFS intec Aircraft Components의 혁신 책임자인 Sascha Costabel에 따르면 하이브리드 기술은 "기존 기계 가공이 사용되는 여러 처리 단계가 필요한 높은 수준의 기계적 응력과 형상을 견뎌야 하는 구성 요소에 적합한 옵션입니다."

SFS intec과의 파트너십은 탁월한 선택이었다고 Sourkes는 말합니다. “시스템 부착 분야의 글로벌 리더인 SFS는 항상 흥미로운 일을 하고 있습니다. 그들은 매우 혁신적이며 새로운 기술에 기꺼이 투자할 것입니다.”라고 그는 말합니다. SFS intec은 또한 항공기 고객과도 긴밀한 관계를 맺고 있으며 이들이 재설계된 부품을 항공우주 산업에 채택하는 데 핵심적인 자격 프로세스를 수행할 수 있는 능력을 보유하고 있다고 덧붙였습니다.

특히 "B 브래킷"이라고 하는 항공기 보관함 브래킷은 설계 및 생산이 어려운 구성 요소를 대표하기 때문에 복합재 재설계를 위한 첫 번째 부착 구성 요소로 선택되었습니다. 협업 엔지니어링, 부품 개념화 및 설계, Altair(미국 미시간주 트로이) 유한 요소 분석(FEA) 도구를 통한 성능 모델링에 이어 프로젝트 팀은 첫 번째 문서부터 모델을 검증, 테스트 및 증명하기 위해 반복했습니다. 제조를 위한 설계는 연속 섬유 강화 요소를 위한 자동화된 테이프 레잉과 절단된 섬유 강화 요소를 위한 고속 사출 성형의 제조 이점을 활용하는 복합 브래킷 개발의 핵심이었습니다.

빌딩 B 브래킷

하이브리드 오버몰딩 공정의 주요 측면 중 하나는 동일한 클래스의 개별 폴리머를 사용하는 것입니다. PAEK는 브래킷의 연속 섬유 복합재 부분에 대한 매트릭스 수지 역할을 하는 반면 폴리에테르에테르케톤(PEEK)은 오버몰딩된 영역에 사용됩니다. 빅트렉스 PAEK 및 PEEK는 우수한 피로, 내화학성 및 내식성을 자랑합니다. 우수한 연기, 화염 및 독성 저항; 빠른 성형성; 및 용접성. 저융점 PAEK(LM PAEK)인 빅트렉스 AE 250은 섭씨 40도의 용융 온도를 제공합니다. PEEK보다 낮습니다. Sourkes는 "용융된 PEEK가 LM PAEK 복합 재료의 표면 위로 흐를 때 더 낮은 용융 온도가 강한 부착을 허용합니다"라고 설명합니다.

B 브래킷의 특정 원료는 2인치 너비의 VICTREX AE 250 단방향 탄소 섬유 강화 PAEK 테이프(58% 탄소 섬유)입니다. 짧은 탄소 섬유로 채워진 VICTREX PEEK 150CA30(30% 탄소 섬유). 이러한 재료는 다음의 다단계 프로세스를 통해 브래킷을 생성하는 하이브리드 오버몰딩 생산 작업 셀에 공급됩니다.

1단계. Dieffenbacher Fiberforge 2000 자동 테이프 부설 시스템은 맞춤형 라미네이트 블랭크를 생산합니다.

먼저, 탄소 섬유/PAEK 테이프는 Dieffenbacher(독일 에핑겐 소재) Fiberforge 2000 테이프 부설 시스템을 사용하여 맞춤형 블랭크에 부설됩니다. "이 기계는 현재 세계에서 가장 빠른 테이프 부설 시스템 중 하나입니다."라고 Sourkes가 증명합니다. 테이프 스풀을 로드 및 다시 로드하는 로봇이 장착되어 중단 없이 실행되어 수동 터치 시간을 최소화합니다. 레이업은 테이프 사이의 간격을 최소화하도록 설계되었습니다. B 브래킷 맞춤형 블랭크의 각 플라이는 다음 플라이가 놓이기 전에 검사됩니다. 이 프로세스는 이물질 및 파편(FOD)의 가능성을 최소화하기 위해 환경적으로 통제된 영역에서 수행됩니다.

그런 다음 맞춤형 블랭크는 라미네이트를 로드 및 언로드하기 위해 최소한의 수동 처리가 필요한 자동화된 맞춤형 셀에 통합됩니다. 셀에서 일치하는 가열 플래튼이 패널을 압축하여 보이드를 제거합니다. 일치하는 냉각 인자판은 그 다음 패널을 냉각시킵니다. 온도를 유지하는 두 세트의 플래튼은 한 세트의 플래튼이 있는 정적 프레스보다 훨씬 더 효율적입니다. Sourkes는 "결과적으로 몇 시간이 아닌 몇 분으로 측정되는 사이클 시간이 크게 단축되었습니다."라고 말합니다.

2단계. 맞춤형 블랭크는 이 단계의 속도를 높이기 위해 온도(하나는 뜨겁고 하나는 차갑게)로 유지되는 두 세트의 플래튼이 있는 자동화된 맞춤형 통합 셀에 통합됩니다.

그런 다음 통합된 라미네이트 프리폼은 독점 작업 셀에서 추가 처리되어 브래킷의 기본 모양을 형성합니다(3단계). 그런 다음 Flow International(미국 워싱턴주 켄트) 워터젯 커터를 사용하여 형성된 블랭크에서 최종 탄소 섬유/PAEK 인서트를 절단합니다(4단계)

3단계. 독점 작업 셀이 브래킷의 기본 모양을 형성합니다.

맞춤형 블랭크의 크기를 결정할 때 Sourkes는 각 프로젝트에 대해 절충안을 고려해야 한다고 지적합니다. “우리는 단일 정사각형 블랭크에서 3~4개의 직사각형을 압축할 수 있도록 라미네이트의 크기를 조정할 수 있습니다. 가능한 한 큰 블랭크를 배치한 다음 프리폼으로 자르면 매수 대 플라이 비율을 극대화할 수 있습니다. 그러나 프리폼을 절단하면 워터젯 절단 작업에 더 많은 시간이 소요됩니다.” B 브래킷 프로젝트에서 통합된 각 라미네이트는 여러 프리폼으로 절단됩니다.

다음은 Engel(Schwertberg, Austria) 고온 사출 성형기로 수행되는 오버몰딩 단계입니다(5단계). 인서트를 사출 성형 캐비티에 넣은 다음 용융된 PEEK로 채웁니다. 인서트는 용융된 PEEK로 채워진 사출 성형 캐비티에 배치되며, 이 캐비티는 빅트렉스 AE 250 라미네이트의 최상층을 녹여 강력한 용융 결합 부품을 생성합니다.

필요한 경우 구성 요소는 기계 가공을 통해 그물 모양으로 마무리됩니다. Sourkes는 "우리의 목표는 순물에 가까운 부품을 성형하는 것이지만 공정 형상을 정리하기 위해 최소한의 가공 수준이 필요한 경우가 종종 있습니다."라고 인정합니다. 가공은 워터젯 또는 CNC 가공으로 수행할 수 있습니다.

획기적인 결과

4단계. Flow International 워터젯 커터는 형성된 블랭크에서 탄소 섬유/PAEK 인서트를 절단합니다. 이 인서트 중 두 개가 각 브래킷에 사용됩니다.

SFS intec 브래킷을 제조할 때 TxV 하이브리드 오버몰딩 프로세스는 3분의 사이클 시간과 1.06:1의 구매 대 비행 비율을 달성합니다. Sourkes는 "재료의 효율적인 사용과 신속한 제조 공정 덕분에 부가가치가 높은 열가소성 복합 부품을 생산할 수 있으며 기존 금속 설계에 비해 시스템 비용을 절감할 수 있습니다."라고 강조합니다. "효과적으로 우리는 높은 매매 비율과 상당한 처리 시간을 가진 저비용 원자재를 고도로 엔지니어링된 재료 솔루션으로 대체하고 있습니다." 그 결과 기존 구성 요소와 동일한 기하학적 및 작동 사양을 따르는 교체 부품, 즉 유사 교체에서 30~40% 범위의 중량 절감 및 20~30% 범위의 비용 절감이 이루어집니다. "특히 부품 시스템을 완전히 재설계할 수 있는 기회가 주어지면 중량을 60%까지 줄일 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

5단계. PEEK 하이브리드 오버몰딩에 최적화된 Engel 사출 성형기는 인서트를 오버몰딩하여 복합 부품을 완성합니다.

탄소 섬유/PAEK/PEEK 브래킷도 부품 수를 통합했습니다. TxV와 SFS는 다른 기능을 기능화하고 추가하는 데 사용된 동일한 작업으로 부품 바닥에 스프레더 노즈를 사출 오버몰딩하기로 합의했습니다. 이전에는 스프레더 노즈를 PEEK로 만든 다음 두 개의 리벳으로 고정했습니다. 따라서 통합으로 인해 부품 수가 줄어들고 조립 단계가 생략됩니다.

TxV를 출시한 두 회사의 전문성은 의심할 여지 없이 하이브리드 오버몰딩의 성공을 가능하게 했습니다. Sourkes는 PAEK 소재 및 가공 기술을 개발한 후 빅트렉스가 먼저 기존 비즈니스 파트너와 기회를 모색했다고 설명합니다. "그러나 사출 성형 전문 기술을 가진 회사는 연속 섬유 강화 복합 재료로 작업할 수 있는 전문 지식이 없었고 그 반대의 경우도 마찬가지였습니다." 빅트렉스와 Tri-Mack은 2017년 TxV를 설립하고 고도로 자동화되고 고속 연속 생산을 위해 설계된 벤처의 특수 목적의 폴리케톤 복합 소재 센터를 구축하기 전에 몇 년 동안 파트너 관계를 맺었습니다.

TxV 프로세스 및 결과를 기존 제조 방식과 비교하도록 요청받은 Sourkes는 B 브래킷이 표준 복합 재료 제조 방식에 적합하지 않다고 말합니다. "이것은 비용이 많이 드는 복합 빌렛으로 브래킷을 가공하지 않으면 매우 어려울 것입니다."라고 그는 말합니다.

6단계. 최종 B 브래킷은 3분의 사이클 시간, 1.06:1의 구매 비율, 30~40%의 무게 절감으로 생산됩니다.

자격을 갖춘 후 비행

SFS intec의 자격 실행 능력을 활용하여 두 회사는 "포인트 디자인"을 통해 인증을 진행했습니다. 즉, 이 특정 부품 형상만 비행 승인을 얻습니다. 부품이 생산되었고 자격 문서에 명시된 테스트를 거쳤습니다. Sourkes는 "부품이 머리 위 선반 브래킷이라는 점을 감안할 때 운영 부하를 상당히 쉽게 달성할 수 있습니다. "그러나 성능 요구 사항은 이러한 일반적인 하중을 넘어서고 일부 극단적인 이륙 및 착륙 기동을 포함해야 합니다." CW로 언론에 게재되고 자격 패키지가 제출되었으며 사양 관리자의 최종 승인을 기다리고 있습니다. TxV와 SFS intec은 부품이 2020년 초에 비행할 것으로 예상합니다.

B 브래킷이 검증되면 TxV는 생산량에 맞게 확장됩니다. 회사가 기존 하이브리드 오버몰딩 라인을 사용하여 이러한 브래킷을 생산하는 동안 Sourkes는 회사가 이 기술로 부품을 만들고 기술 채택에 관심이 있는 산업 제조업체를 지원하는 이중 임무가 있다고 강조합니다. 즉, 복합 재료 제조업체는 자체 시설에서 이 제조 기술을 채택할 수 있습니다.

SFS intec 제품과 같은 복합 브래킷은 이러한 종류의 구성 요소에 대해 상당히 큰 시장을 차지할 가능성이 있습니다. 상업용 항공기는 수천 개의 브래킷과 시스템 부착물을 사용하므로 전체 항공기에 상당한 비용과 중량 기여를 합니다. Costabel은 “열가소성 복합재 부품이 항공기 제조에서 점점 더 큰 역할을 할 것이라고 확신합니다.